Arkusfunktion

Die Funktionsgraphen aller Arkusfunktionen. Y-Achse im Bogenmaß

Arkusfunktionen (von lat. arcus „Bogen“), auch zyklometrische Funktionen genannt, sind, wie es ihre alternative Bezeichnung als inverse Winkelfunktionen andeutet, Umkehrfunktionen trigonometrischer Funktionen - die Arkusfunktionen liefern also zu einem gegebenen Winkelfunktionswert den zugehörigen Winkel.

Zu jeder der sechs Winkelfunktionen gibt es eine Arkusfunktion, die in mathematischen Formeln und Gleichungen durch ein vorangestelltes $\operatorname {arc}$ oder $\operatorname {a}$ vom Kürzel der zugehörigen trigonometrischen Funktion unterschieden wird. Vor allem im englischsprachigen Raum, aber auch auf den Tastaturen der meisten Taschenrechner, findet sich immer häufiger eine Schreibweise mit dem Exponenten −1, der signalisieren soll, dass es sich um die Umkehrfunktion (aber nicht um den Kehrwert) der besagten Winkelfunktion handelt:

Winkelfunktion	Arkusfunktion	Kürzel	alternatives Kürzel
Sinus	Arkussinus	$\arcsin$ oder $\operatorname {asin}$	$\sin^{-1}$
Kosinus		$\arccos$ oder $\operatorname {acos}$	$\cos^{-1}$
Tangens	Arkustangens	$\arctan$ oder $\operatorname {atan}$	$\tan^{-1}$
Kotangens	Arkuskotangens	$\operatorname{arccot}$ oder $\operatorname {acot}$	$\cot^{-1}$
Sekans	Arkussekans	$\operatorname{arcsec}$	$\sec ^{{-1}}$
Kosekans	Arkuskosekans	$\operatorname{arccsc}$	$\csc ^{{-1}}$

Riemannsche Fläche des komplexen Logarithmus. Die Blätter haben einen Abstand von $2\pi$ .

Da die trigonometrischen Funktionen periodische Funktionen sind, sind sie zunächst einmal nicht invertierbar. Beschränkt man sich jedoch auf ein Monotonie intervall der jeweiligen Ausgangsfunktion, z.B. auf das Intervall $[-\pi /2,\pi /2]$ oder $[0,\pi ]$ , kann die so erhaltene eingeschränkte Funktion sehr wohl invertiert werden. Allerdings überdecken die Monotonieintervalle jeweils nur eine halbe Periode, siehe Abbildung oben. Kennt man jedoch sowohl den Sinus als auch den Kosinus eines Winkels (allgemeiner: komplexe Komponenten), so kann man den Winkel bis auf ganze Perioden $(2\pi )$ ermitteln, siehe Abbildung rechts für die Anschauung und atan2 für die Berechnung.

Beziehungen zwischen den Funktionen

Siehe auch: Trigonometrische Funktion: Beziehungen zwischen den Funktionen

Die Arkusfunktionen lassen sich wie folgt ineinander umrechnen:

	arcsin	arccos	arctan	arccot	arcsec	arccsc
arcsin(x)	$\,\arcsin(x)$	$\,\arccos \left(\pm {\sqrt {1-x^{2}}}\right)$	$\,\arctan \left(\pm {\frac {x}{\sqrt {1+x^{2}}}}\right)$	$\,\operatorname {arccot} \left(\pm {\frac {1}{\sqrt {x^{2}+1}}}\right)$	$\,\operatorname {arcsec} \left(\pm {\frac {\sqrt {x^{2}-1}}{x}}\right)$	$\,\operatorname {arccsc} \left({\frac {1}{x}}\right)$
arccos(x)	$\,\arcsin \left({\sqrt {1-x^{2}}}\right)$	$\,\arccos(x)$	$\,\arctan \left({\frac {1}{\sqrt {1+x^{2}}}}\right)$	$\,\operatorname {arccot} \left({\frac {x}{\sqrt {x^{2}+1}}}\right)$	$\,\operatorname {arcsec} \left({\frac {1}{x}}\right)$	$\,\operatorname {arccsc} \left({\frac {\sqrt {x^{2}-1}}{x}}\right)$
arctan(x)	$\,\arcsin \left(\pm {\frac {x}{\sqrt {1-x^{2}}}}\right)$	$\,\arccos \left(\pm {\frac {\sqrt {1-x^{2}}}{x}}\right)$	$\,\arctan(x)$	$\,\operatorname {arccot} \left({\frac {1}{x}}\right)$	$\,\operatorname {arcsec} \left(\pm {\sqrt {x^{2}-1}}\right)$	$\,\operatorname {arccsc} \left(\pm {\frac {1}{\sqrt {x^{2}-1}}}\right)$
arccot(x)	$\,\arcsin \left({\frac {\sqrt {1-x^{2}}}{x}}\right)$	$\,\arccos \left({\frac {x}{\sqrt {1-x^{2}}}}\right)$	$\,\arctan \left({\frac {1}{x}}\right)$	$\,\operatorname {arccot}(x)$	$\,\operatorname {arcsec} \left({\frac {1}{\sqrt {x^{2}-1}}}\right)$	$\,\operatorname {arccsc} \left({\sqrt {x^{2}-1}}\right)$
arcsec(x)	$\,\arcsin \left({\frac {1}{\sqrt {1-x^{2}}}}\right)$	$\,\arccos \left({\frac {1}{x}}\right)$	$\,\arctan \left({\sqrt {1+x^{2}}}\right)$	$\,\operatorname {arccot} \left({\frac {\sqrt {x^{2}+1}}{x}}\right)$	$\,\operatorname {arcsec}(x)$	$\,\operatorname {arccsc} \left({\frac {x}{\sqrt {x^{2}-1}}}\right)$
arccsc(x)	$\,\arcsin \left({\frac {1}{x}}\right)$	$\,\arccos \left(\pm {\frac {1}{\sqrt {1-x^{2}}}}\right)$	$\,\arctan \left(\pm {\frac {\sqrt {1+x^{2}}}{x}}\right)$	$\,\operatorname {arccot} \left(\pm {\sqrt {x^{2}+1}}\right)$	$\,\operatorname {arcsec} \left(\pm {\frac {x}{\sqrt {x^{2}-1}}}\right)$	$\,\operatorname {arccsc}(x)$

Wenn das $\,\pm$ verwendet wird, ist zu beachten, dass

$\,\arcsin(x)\geq \ 0$ für $\,0\leq x\leq 1$
$\,\arcsin(x)\leq \ 0$ für $\,-1\leq x\leq 0$

$\,\arctan(x)\geq \ 0$ für $\,x\geq 0$
$\,\arctan(x)\leq \ 0$ für $\,x\leq 0$

$\,\operatorname {arccsc}(x)>0$ für $\,x\geq 1$
$\,\operatorname {arccsc}(x)<0$ für $\,x\leq -1$

Bei der Berechnung von $\arccos(x)$ , $\operatorname {arccot}(x)$ und $\operatorname {arcsec}(x)$ müssen die berechneten Werte für x<0 von $\pi$ abgezogen werden.

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de